DE1769563C

DE1769563C - Neutron absorbing material and process for its manufacture

Info

Publication number: DE1769563C
Authority: DE
Inventors: Paul Samt Gems Laval Lefrancois Jacques Fontenay aux Roses Vinarnick Louis Gif sur Yvette Blum, (Frankreich)
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique, Paris, Robatel SLPI, Lyon, (Frankreich)
Publication date: 1972-12-14

Description

Die Erfindung betrifft ein neutronenabsorbierendes Material, bei dem Polyäthylenteilchen in einer einen Borzusatz von etwa I Gewichtsprozent enthaltenden, aushärtenden Masse eingebettet sind. Ein derartiges Material ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 162 694 bekannt.The invention relates to a neutron absorbing material in which polyethylene particles in a one Boron additive of about I weight percent containing hardening mass are embedded. Such a thing Material is known from the German Auslegeschrift 1 162 694.

Dieses Material dient zur Absorption von Neutronen, die bei Kernspaltprozessen auftreten oder von einer «-η- oder y-n-Quelle (Pu-Be; Po-Li; Sb-Be) ausgesandt werden. Bekanntlich erfordert die Absorption von schnellen Neutronen in der Hauptsache zunächst deren Bremsung durch Zusammenstoß mit leichten Atomen, vor allem Wasserstoff. Gegen Neutronenstrahlung schützende Werkstoffe sind daher Wasser, Paraffine oder merkliche Mengen Wasserstoff enthaltende Kunststoffe, wie Polyäthylen, Polyester, Polyamide.This material is used to absorb neutrons that occur during nuclear fission processes or from a «-Η- or y-n-source (Pu-Be; Po-Li; Sb-Be) sent out will. As is well known, the absorption of fast neutrons requires mainly first braking them by colliding with light atoms, especially hydrogen. Against neutron radiation Protective materials are therefore water, paraffins or significant amounts of hydrogen Plastics such as polyethylene, polyester, polyamides.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1162 694 ist es über den Gattungsbegriff des Anspruchs 1 hinaus bekannt, granuliertes Polyäthylen zu verwenden und die Zwischenräume mit einer flüssig bleibenden oder zu einem Kunststoff aushärtenden wasserstoffhaltigen Flüssigkeit auszufüllen.From the German Auslegeschrift 1162 694 it is beyond the generic term of claim 1 known to use granulated polyethylene and the interstices with a liquid or permanent to be filled into a plastic hardening hydrogen-containing liquid.

Andererseits ist auch bekannt, daß Beton in größerer Schichtdicke Neutronen abschirmt. Aus der belgischen Patentschrift 493 942 ist ein neutronen- wie auch y-Strahlen absorbierendes Material auf der Grundlage abbindender bzw. erhärtender, insbesondere anorganischer Bindemittel, wie Beton, Mörtel, Gips u. a., bekannt, bei dem die neutronenabsorbierenaV Substanz, Bor oder Cadinium oder eine Verbindung derselben, in einer aushärtbaren Masse aus Gips eingebettet ist.On the other hand, it is also known that thicker concrete shields neutrons. From the Belgian patent 493 942 is a neutron as well as y-ray absorbing material on the Basis of setting or hardening, in particular inorganic binders, such as concrete, mortar, plaster of paris and others, are known in which the neutron absorbing agents Substance, boron or cadinium or a combination of the same, in a hardenable mass of plaster of paris is embedded.

Die bekannten neutronenabsorbierenden Materialien weisen jedoch jeweils Eigenschaften auf, welche ihre Verwendbarkeit beschränken. So sind die zuerst genannten organischen Stoffe und Wasser zwar spezifisch, leicht, doch nicht leicht verarbeitbar und/ oder nicht mechanisch oder thermisch widerstandsfähig, während Beton und andere anorganische Materialien umgekehrt zwar die erforderlichen mechanischen und Wärmefestigkeiten aufweisen, jedoch schwer sind und zu sehr unhandlichen großen Bauteilen führen, welche eine aufwendigere Gesamtkonstruktion erfordern.The known neutron absorbing materials, however, each have properties which their Limit usability. So are the first-mentioned organic substances and water specific, light, but not easy to process and / or not mechanically or thermally resistant, while concrete and other inorganic materials reversed the required mechanical and have heat resistance, but are heavy and become very bulky large components lead, which require a more complex overall construction.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein neutronenabsorbierendes Material zu schaffen, welches zugleich leicht verarbeitbar ist, hohe mechanische und Wärmefestigkeit und geringe Dichte aufweist. The invention is now based on the object of creating a neutron-absorbing material, which at the same time is easy to process, has high mechanical and heat resistance and low density.

Auf Grund des Standes der Technik muß man annehmen, daß sich die geforderten Eigenschaften mindestens teilweise gegenseitig ausschließen. Insbesondere kann offensichtlich der Wassergehalt anorganischer Materialien nicht wesentlich erhöht werden, ohne deren Struktur und Festigkeit zu zerstören, während der Zusatz von Kunststoffen zu solchen Materialien in kleinen Mengen nutzlos ist und in größeren Mengen wegen der ganz verschiedenen Benetzungseigenschaften und Dichten und somit mangelnder Mischbarkeit nicht erfolgversprechend war.Based on the state of the art, one must assume that the required properties at least partially mutually exclusive. In particular, the water content can obviously be more inorganic Materials are not significantly increased without destroying their structure and strength, while the addition of plastics to such materials in small amounts is useless and in larger quantities because of the very different wetting properties and densities and thus lack of miscibility was not promising.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein neutronenabsorbierendes Material der eingangs genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es 32 bis 40 Gewichtsprozent Polyäthylen in einer aushärtenden Masse aus 17 bis 20 Gewichtsprozent Wasser und 37 bis 45 Gewichtsprozent Gips enthält.The object set is achieved according to the invention by a neutron-absorbing material of type mentioned at the beginning, which is characterized in that it contains 32 to 40 percent by weight of polyethylene in a hardening mass of 17 to 20 percent by weight water and 37 to 45 percent by weight Contains plaster of paris.

Drei der Bestandteile des die Erfindung aufweisenden Materials enthalten einen hohen Anteil Wasserstoff, nämlich Polyäthylen (— CH₄ — CH₂ —...), Gips (CaSO₄ · 2 H₂O) und Wasser (H₂O). Der größte Wasserstoffanteil wird vom Polyäthylen geliefert.Three of the components of the material comprising the invention contain a high proportion of hydrogen, namely polyethylene (- CH ₄ - CH ₂ - ...), gypsum (CaSO ₄ · 2 H ₂ O) and water (H ₂ O). Most of the hydrogen is supplied by polyethylene.

Der Gips macht das Produkt wärmefest und trägt schwere Elemente, wie Schwefel, Sauerstoff und Calcium, bei, welche ebenfalls ein Rolle bei der Absorption schneller Neutronen spielen. Der vierte Bestandteil, Bor, dient zur Absorption gebremster Neutronen unter Aussendung von Protonen relativ niedriger Energie (0,478 MeV).The gypsum makes the product heat-resistant and carries heavy elements, such as sulfur, oxygen and Calcium, which also play a role in the absorption of fast neutrons. The fourth Component, boron, is used to absorb decelerated neutrons while emitting protons relatively low energy (0.478 MeV).

Die Bestandteile des die Erfindung aufweisenden Materials sind so gewählt, daß sie sich leicht zum Material vereinigen lassen und sehr billig und wirksamThe components of the material comprising the invention are chosen so that they are easy to Unite material and very cheap and effective

sind im Vergleich mit bisher benutzten Materialien, wie massivem Polyäthylen. Beispielsweise ist der Wirkungsquerschnitt des die Erfindung aufweisenden Materials für Neutronen von 5 MeV 0,133 cm¹ gegenüber 0.J08 cm~^l von massivem Polyäthylen.are in comparison with materials previously used, such as solid polyethylene. For example, the cross section is of the invention, the material having neutron of 5 MeV 0.133 cm ¹ against 0.J08 cm ~ ^l of solid polyethylene.

Für die praktische Brauchbarkeit eines neutronenabsorbierenden Werkstoffs ist es entscheidend, daß er homogen ist. Das die Erfindung aufweisende Material erfüllt diese Bedingungen. Bei einem geringeren Anteil an Polyäthylenteilchen würde bei derFor the practical usefulness of a neutron absorbing material it is crucial that he is homogeneous. The material comprising the invention meets these requirements. With a lesser one Proportion of polyethylene particles would be in the

Verarbeitung eine Entmischung stattfinden, während bei einem höheren Anteil Polyäthylenteilchen Hohlräume im Bindemittel entstehen und damit eine rasche Verringerung der mechanischen Festigkeit des Materials, bis auf Vfull im oberen räumlichen Bereich., eintritt. Ähnliches gilt auch für den Borgehalt. Ein zu hoher Borgeha.lt verringert die Festigkeit des Materials, ein zu geringer Borgehalt führt zu ungenügendem Neutroneneinfang.Processing a segregation take place, while with a higher proportion of polyethylene particles voids arise in the binder and thus a rapid reduction in the mechanical strength of the material, except for Vfull in the upper spatial area., entry. The same applies to the boron content. Too high a boron content reduces the strength of the material, too low a boron content leads to inadequate neutron capture.

3 ⁴ 3 ⁴

Das die Erfindung aufweisende Material ist daher Stimmung der Bindigkeit des dieThe material comprising the invention is therefore the mood of the cohesion of the

insgesamt optimal zusammengesetzt und den be- weisenden M-w-h^Sürtl™^^ _e overall optimally put together and the proving Mwh ^ Sürtl ™ ^^ _e

kannten Materialien überlegen. verschiedeneη Ne.f™™™ T₀Zn hinsichtlich desknew materials superior. differentη Ne. f ™ Brille T ₀ Zn with regard to the

Das Verfahren zur Herstellung des die Erfindung fuhrt wöbe, die ^h^^^^ea^_mmme desThe method of making the the invention leads wöbe, the ^h ^^^ ^ea ^ _mmme des

aufweisenden neutronenabsorbierenden Materials be- 5 Aussehens ""J_aif"^r _duX^^h _uJ_e ⁿ _nscS begutachtethaving neutron-absorbing material 5 sawn appearance "" J _ai f ^"r _du X ^ ^h _e ⁿ _u _nsc J S assessed

steht darin, eine Borverbindungen mit Gips in ge- mogl.chen Abbaus durchAi«ei«JBn Sit says a boron compound with gypsum in possible degradation by Ai «ei« JBn S

eigneten Mengenanteilen trocken zu mischen, diese wurden. Die bestrahlten Proben hauen medry mix suitable proportions, these were. The irradiated samples cut me

Mischung Bor verbindung/Gips in Wasser zu geben, in Zusammensetzung,Mixture of boron compound / plaster of paris to give in water, in composition,

dem gegebenenfalls ein Verzögerungsmittel gelöst _Polväihvlen 40 Gewichtsprozentto which, if necessary, a retarding _agent dissolved Polväi hvlen 40 percent by weight

wurde, das Gemisch zu homogenisieren, dem Gemisch io ^ru'J" '-was to homogenize the mixture, the mixture io ^ru 'J "' -

Polyäthylengranulat zuzusetzen, den erhaltenen Brei Wasser 17 GewichtsprozentAdd polyethylene granules, the resulting pulp water 17 percent by weight

in einen Behälter zu gießen und den gegossenen Brei q. 37 Gewichtsprozentto pour into a container and pour the poured porridge q. 37 percent by weight

"ölSate eines Verzögerungsmittels zum Anmach- Borsäure ^^TcSSJozent Bor)"OilSate of a retarding agent for the pickling boric acid ^^ TcSSJozent Bor)

wasser ist vor allem dann zweckmäßig, wenn man 15 1°· ⁿ- ^{1 uewK}- ^H water is especially useful if you have 15 1 ° · ⁿ - ^{1 uewK} - ^H

größere Mengen des neutronenabsorbierenden Ma- von 1,18larger amounts of the neutron absorbing ma- of 1.18

^{30 Minute}V° ^{30 minutes} V °

Zur Herstellung des die Erfindung aufweisenden Materials wird das Polyäthylen in Form von Körnern von einigen Kubikmillimetern verwendet. Jedoch kannTo make the material embodying the invention, the polyethylene is in the form of granules of a few cubic millimeters used. However can

die Formform

von 20 mm und einer ^
Zu Beginn besaßen die etwaof 20 mm and a ^
At the beginning they owned about

w.egenaw.egena

wie die von feuchtem Gips. Für einen feinkornigen mit 2,5like that of wet plaster of paris. For a fine-grained one with 2.5

BestrahlungsIrradiation IntegrierIntegrating Gebrauclis-Used Augenscheinvergleich mi* einer Vergleichs-ProbeVisual comparison with a comparison sample zeittime ter Flußthe river zeit des Matime of ma Probe
Nr.sample
No. terials bei
normalerterials at
normal (Std.)(Hours.) (n/cm²)(n / cm ² ) Verwendunguse Leichte Farbveränderung von Weiß zu Hellgrau; kein AbbauSlight color change from white to light gray; no degradation 11 1,8 -1O¹⁶ 1.8 -1O ¹⁶ (Std.)(Hours.) Deutlichere Farbveränderung von Weiß zu anhaltenderem Grau;More pronounced color change from white to more persistent gray; 11 22 3,6 · 10"3.6 x 10 " 2 0002,000 kein Abbauno degradation 22 4 0004,000 Stärkere Verfärbung: grau — kein AbbauStronger discoloration: gray - no degradation 88th 1,44 · 10"1.44 x 10 " Starke Verfärbung: fast schwarz — kein AbbauStrong discoloration: almost black - no degradation 33 100100 1,8 · 10¹⁷ 1.8 · 10 ¹⁷ 16 00016,000 44th 200 000200,000

Die Absorptionswirkung des die Erfindung aufweisenden Materials gegenüber Neutionen wurde an einem Probestück der folgenden Zusammensetzung bestimmt:The absorbing effect of the material embodying the invention against neutrons was increased determined on a test piece of the following composition:

Polyäthylen 40 GewichtsprozentPolyethylene 40 percent by weight

Wasser 17 GewichtsprozentWater 17 percent by weight

Gips 37 GewichtsprozentPlaster of paris 37 percent by weight

Borsäure 6 GewichtsprozentBoric acid 6 percent by weight

(=Borl°/₀)(= Borl ° / ₀ )

Wasserstoff gehalt 57°/₀ Hydrogen content 57 ° / ₀

Makroskopischer
Wirkungsquerschnitt 0,133 cm-¹ More macroscopic
Effective cross-section 0.133 cm- ¹

Für diese Untersuchung wurden eine Plutonium-Beryllium-Quelle mit einer mittleren Energie von 4,4 MeV und einer Aktivität von 2,10" Neutronen/Sek. sowie eine Polonium-Lithium-Quelle mit einer mittleren Energie von 460 KeV und einer Aktivität von 1,2· 10" Neutronen/Sek. verwendet. Man konnte so die Veränderung der Halbierungsdicke für zwei um einen Faktor 10 verschiedene Neutronenenergien feststellen. A plutonium-beryllium source with a mean energy of 4.4 MeV and an activity of 2.10 "neutrons / sec. And a polonium-lithium source with a medium Energy of 460 KeV and an activity of 1.2 x 10 7 "neutrons / sec. You could so determine the change in the halving thickness for two neutron energies that are different by a factor of 10.

Als Zähler wurde ein Proportionalzähler mit in einer Paraffinkugel von 6,5 cm Radius angeordnetem Bortriofluorid verwendet.
Die Neutronenabsorption wurde in zwei verschie-A proportional counter with boron triofluoride arranged in a paraffin ball with a 6.5 cm radius was used as the counter.
The neutron absorption was in two different

denen geometrischen Anordnungen untersucht. Bei einer sogenannten »großen« Anordnung befand sich das absorbierende Probestück im gleichen Abstand von je 5U cm vom Zähler und von der Quelle. Bei einer »Lagcrbehäller«-Anordnung befand sich die Quelle im Inneren eines aus dem zu untersuchenden Material bestehenden Behälters. Im letzteren Fall sind Abr schirmungen mit steigender Dicke gegen den Behälter gehalten worden, d. h. 7 cm vom Mittelpunkt der Quelle. Der Abstand Quelle/Zähler betrug dann 70 cm F i g. 1 zeigt die mit einer Plutonium-Bcrylliumquellc erhaltenen Ergebnisse. In der Abszisse ist die Dicke der Abschirmung in cm und in der Ordinate die Durchlässigkeit aufgetragen. Die Kurven A und B entsprechen jeweils den mit der sogenannten »großen« und der »Lagerbchältei«-Anordnung erhaltenen Ergebnissen. Man kann daraus entnehmen, daß bei der großen Anordnung die Halbierungsstärke (x Vz) 14cm, entsprechend einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,049 cm¹, und die Zehntelungsdicke (x ¹J₁₀) 46,5 cm beträgt. 3ei der zweiten Anordnung ist (λ- ¹I₂) 5,5 cm, was einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,126 cm-¹ entspricht, undwhich investigated geometric arrangements. In a so-called "large" arrangement, the absorbent specimen was at the same distance of 5U cm from the meter and from the source. In a "storage container" arrangement, the source was located inside a container made of the material to be examined. In the latter case, shields of increasing thickness have been held against the container, ie 7 cm from the center of the source. The distance source / meter was then 70 cm F i g. 1 shows the results obtained with a plutonium-cryllium source. The thickness of the shielding in cm is plotted on the abscissa and the permeability is plotted on the ordinate. Curves A and B correspond to the results obtained with the so-called “large” and “bearing box” arrangements. It can be seen from this that in the large arrangement the halving thickness (x Vz) is 14 cm, corresponding to a macroscopic effective cross section of 0.049 cm ¹ , and the tenting thickness (x ¹ J ₁₀ ) is 46.5 cm. In the second arrangement, (λ- ¹ I ₂ ) is 5.5 cm, which corresponds to a macroscopic cross-section of 0.126 cm- ¹ , and

Die mit einer Polonium-Lithium-Quelle bei den beiden verwendeten Anordnungen erhaltenen Ergebnisse sind in F i g. 2 aufgetragen. Man ersieht daraus, daß für die große Anordnung die Halbierungsdicke (x V₂) = 3,2 cm ist, was einem makroskopischen Wirkungsquerschnitt von 0,215 cm ' entspricht, und die Zehntelungsdicke (* Vio) = H cm ist. Bei der zweiten Anordnung ist die Halbierungsdicke (x Vz) = 2,7 cm, die Zehntelungsdicke (x Vio) = ⁹ ^cm- The results obtained with a polonium-lithium source for the two arrangements used are shown in FIG. 2 applied. It can be seen from this that for the large arrangement the halving thickness (x V ₂ ) = 3.2 cm, which corresponds to a macroscopic cross section of 0.215 cm ', and the tenth thickness (* Vio) = H cm. In the second arrangement, the halving thickness (x Vz) = 2.7 cm, the tenth thickness (x Vio) = ⁹ ^cm -

Das die Erfindung aufweisende Material zeichnet sich im wesentlichen durch eine sehr einfache Herstellung und Anwendung aus, wodurch es zur Herstellung von Transportbehältern für Ncutronenquellen besonders geeignet ist.The material comprising the invention is essentially characterized by a very simple manufacture and application from which it is used to manufacture transport containers for electron sources is particularly suitable.

Bei einem Transportbehältef, der aus einem Zylinder von 40 cm Durchmesser und 50 cm Höhe besteht und leer 117 kg wiegt, wurde die Neutronenabschirmung aus einem die Erfindung aufweisenden Material hergestellt. Dieser Behälter wurde zum Transport einer 5 · 10' Neutronen/Sek. liefernden Quelle vorgesehen. Bei den durchgeführten Messungen enthielt er eine 4,6 · 10° Neutronen/Sek. liefernde Quelle.With a transport container consisting of a cylinder 40 cm in diameter and 50 cm in height consists and weighs 117 kg empty, the neutron shielding was made from one that incorporates the invention Material made. This container was designed to transport a 5 x 10 'neutron / sec. delivering Source provided. In the measurements carried out, it contained 4.6 · 10 ° neutrons / sec. supplying source.

Der benutzte Detektor war ein Bortrifluoridzähler, der unter einer Paraflinmoderatorkugcl von 11 cm Radius angeordnet war. Die Messung des. Nulleffekts zeigte, daß dieser zu vernachlässigen war.The detector used was a boron trifluoride counter placed under an 11 cm paraflin moderator ball Radius was arranged. The measurement of the background effect showed that this was negligible.

Es wurden zwei Meßreihen durchgefühlt:Two series of measurements were carried out:

1. Die Moderatorkugel wurde mit dem Behälter in1. The moderator ball was placed with the container in

ίο Berührung gebracht, d. h., der Zähler befand sich 13 cm vom Behälter entfernt. Diese Meßreihe umfaßte vier Messungen in Winkelabständen von 90" voneinander und eine Messung oberhalb.ίο brought into contact, d. i.e., the counter was 13 cm from the container. This series of measurements comprised four measurements at angular intervals of 90 "from each other and one measurement above.

2. Der Zähler wurde 1 m von der Außenwand des Behälters entfernt angeordnet. In dieser Meßreihe wurden vier Messungen in Winkelabständen von 90" voneinander vorgenommen. Die erhaltenen mittleren Zählwerte waren: 2800 Impulse in2. The meter was placed 1 m from the outer wall of the container. In this series of measurements four measurements were taken at angular intervals of 90 "from one another. The obtained mean counts were: 2800 pulses in

ao 2 Minuten für die erste Meßreihe und 360 Impulse in 3 Minuten für die zweite Meßreihe.ao 2 minutes for the first series of measurements and 360 pulses in 3 minutes for the second series of measurements.

Unter Berücksichtigung der Eichung des Zählcis waren die entsprechenden Dosis-Leistungen:Taking into account the calibration of the counter, the corresponding dose rates were:

9 mrem/h in 13 cm Entfernung von der Behälterkante, 9 mrem / h at a distance of 13 cm from the edge of the container,

0,7 mrem/h in Im Entfernung von der Behälterkante. 0.7 mrem / h at a distance from the container edge.

Die Dosisleistung bei 13 cm oberhalb des Behälters war etwa 25°/o geringer als die in der Querschnittsebene. The dose rate at 13 cm above the container was about 25% lower than that in the cross-sectional plane.

Da der Behälter für eine etwa lOfach stärkere als die zur Messung benutzte Quelle ausgelegt wurde, ist seine Schutzwirkung für die Transportnormen offensichtlich bei weitem ausreichend. Die Verwendung des die Erfindung aufweisenden neutronenabsorbierenden Materials ist jedoch nicht auf die Herstellung von Transportbehältern beschränkt, sondern umfaßt auch d^:e Herstellung fester Abschirmungen aller Abmessungen. Das die Erfindung aufweisende Material kann zusammen mit allen üblichen Abschirmungen verwendet werden.Since the container was designed for a source about ten times stronger than the one used for the measurement, its protective effect is obviously by far sufficient for the transport standards. The use of the invention having neutron absorbing material is not restricted to the manufacture of transport containers, but also includes ^d: fixed shields e production of all dimensions. The material comprising the invention can be used together with all conventional shields.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Neutron absorbing material in which polyethylene particles in a boron additive of about 1 percent by weight containing hardening mass are embedded, characterized in that that there is 32 to 40 percent by weight of polyethylene in a hardening mass of 17 to 20 percent by weight of water and 37 to Contains 45 percent by weight gypsum.

2. A method for producing a neutron absorbing material according to claim 1, characterized in that characterized in that a boron compound with gypsum dry in suitable proportions is mixed, this mixture of boron compound / gypsum is added to water, in which, if necessary a retardant has been dissolved, the mixture is homogenized, the mixture is granulated Polyethylene is added, the resulting paste poured into a container and the cast Pulp is pulped.

3. The method according to claim 2, characterized in that the retarding agent is monocalcium carbonate is.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the delay agent is added to _{the water in a proportion of 0.5 ° / 00.}